автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка методов повышения свойств и работоспособности углеродистых и низколегированных сталей для штампового инструмента холодного деформирования

ссср по народному образованию

г .Ч'П " ^МОСКОВСКИЙ

срдша октябрьской революции и ордена трудового красного я1ам2ни институт стали и сплавш

На правах рукописи

уж 669.1.15; 669.1.14.018

ПАЧКОЗСКИЛ ЭДУАРД ФРАНКОВОМ

разработка методов повышения свойств и работоспособности углеродистых и низколегированных сталей для штампового инструмента холодного дбфсрг.шрованин

Специальность C6.I6.0I - металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат гадионной работы на соискание ученой кандидата технических наук

Москва 1990

Диссертация выполнена на научно-производственном объединении "Электрон1.1

Научный руководитель - Заслуженный работник

Шсшей школы УССР, кандич

дат технических наук, профессор ФЕТИСОВА М.М.

Официальные оппоненты: ЕАШШН Ю.А., доктор

технических наук, профессор

ПОТАПОВА М.С., кандидат технических наук, ст.н.с.

Ведущая организация - Львовский инструменталь-

на заседании специализированного совета К. 063.08.03 щм Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 4, ауд. 436.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библис теке Московского института стали и сплавов /Ленинский проспект, 4/.

ный завод

Защита состоится . ^_1990 г. в

"час

Автореферат разослан

/

Ученый секретарь специализированного совета . кандидат технических наук, доцент

'САМАРШ Б.А,

ОЩШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Холодная штамповка - один из наибов прогрессивных способов получения деталей. В производст-предаётов народного потребления штампуемые в холодном стоянии детали составляют до 95-98 Поэтому особое вни-га;е уделяется повышению наделсности и долговечности штам-эго инструмента. Для изготовления штш.шов применяют в осело и высоколегированные стали, которые содержат дорогосто-ие и дефицитные элементы вольерам, молибден, а также хром значительном количестве и другие. Поэтому важное значение развитии экономики страны имеет новые, эконошолегирован-э инструменталыше стали, созданные на базе углеродистых и зколегированных, способные обеспечить эксплуатационную на-шость штампового инструмента-холодного деформирования.

Разработано большое количество способов повышения экс-^атационной надежности инструментальных сталей для штаыпо-ю инструмента холодного деформирования - химико-термичес-I обработка, поверхностная закалка, наплавка, поверхност-I обработка механическими и физическими методами и др. Но 1более перспективным из них является микролегирование, по-шщее общую прочность и износостойкость инструментальных шей. Известно, что малые добавки некоторых элементов могут иэывать существенное влияние на структурное состояние ста-I, а следойательно - на изменение их свойств. Кроме того, фолегирование легко выполняется технологически и позволя-экономить дефицитные и дорогостоящие легирующие элементы. |бходиыо отметить, что эффективность влияния микродобавок 1исит не только от вводимого элемента и его количества, но т режима термической обработки.

С этой точки зрения-представляет интерес микролегирование :ибденом, ванадием, бором, кальцием, алшинием, экономное ирование хромом углеродистых и низколегированных инстру-тальных сталей для штампового инструмента холодного дефор-ования. Указанные микродобавки воздействуют на структуру войства сталей комплексно - за счет сочетания модифициру-го, рафинирующего и легирующего эффекта.

По данной проблеме выполнен ряд экспериментальных и тео-

ретических работ, однако шигяв аспекты ее еще окончательно не решены. Это, в частности, вопросы микролеларованзя инструментальных высокоуглеродастых /0,8-0,9■% С/ сталей на про-каливаемость, механические свойства, процессы карбид©образования и перераспределения элементов при термической обработке, строение изломов и износостойкость.

Дальнейшее изучение влияния микродобавок и режимов термической обработки на процеосы, протекающие в углеродистых а низколегированных инструментальных сталях, весьма актуально для разработки научно обоснованных рекомендаций по повышенно свойств этих сталей.

Цель и задачи исследования. Основная цель работы - изучение природы и закономерностей влияния малых добавок алюминия, молибдена, ванадия, бора, кальция и хрома, на конструкта! нуга прочность углеродистых и низколегированных инструментальных сталей в термообработаннда состоянии и разработка рекомендаций по эффективному комплексному мшфолегированкю и рз-жимам термической обработки для повышения прочности, износостойкости и долговечности штампов холодного деформирования из этих сталей.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить влияние микродобавок алюминия, молибдена, ванадия, бора, кальция и хрома на рост зерна аустенита и структурное состояние сталей;

- изучить влияние микродобавок на прокаливаемоеть исследуемых сталей;

- выявить влияние вводимых элементов на карбидную фазу и перераспределение элементов мевду структурными составляющими;

- установить закономерности влияния микролегированпя и режимов термической обработки на ыеханическио свойства и износостойкость сталей;

- выявить взаимосвязь между структурным состоянием и характером разрушения сталей с ьаифодобавками;

- установить механизм влияния микродобавок и режимов термической обработки на повышение свойств и работоспособности сталей;

- разработать рекомендации по оптимальному яомплексно-• микрологированию алюминием, молибденом, ванадием, бором, льцкеч, легированию хромом и термической обработке для по-кения прочности, износостойкости и долговечности штампов лодного деформирования из углеродистых и низколегированных ;струмектальных сталей.

Научная новизна. Выявлены особенности и установлены за-но.\:ярпости влияния микродобавок алюминия, молибдена, вана-[я, бора, кальция и хрома на структуру, рост зерна аустени-1, прокаливаемость, механические свойства, износостойкость характер разрушения исследустх сталей после термической ¡работки.

Установлено, что наиболее высокое сочетание свойств ста-¡й У8 и 9ХС после термической обработки достигается при оп-нальном комплексном микролегировании.

Определена роль легирования хромом в формировании сво-тв микролегированных сталей. Показано, что хром в количест-! 0,45 5» увеличивает неоднородность расположения структур-х составляющих и плотность зернограничных карбидов и тем мым обусловливает снижение предела прочности при изгибе и ;арной вязкости.

Выявлено, что вводимые микродобавки неоднозначно влияют . прокаливаемость исследуемых сталей. Наиболее эффективное вышение прокаливаемости достигается при экономном легирова-и стали 9ХС комплексом элементов /0,ЗС^Мо+ 0,2СЙ V + 003* В + 0,10* Са + 0,СБ%й\ /: твердость НЙСэбА сохра-:ется на глубине 55 мы от закаливаемого торца.

Показано, что микродобавки уменьшают деформацию сталей еле закалки и отпуска.

Впервые установлена взаимосвязь мезду микростроением лома и сопротивлением разрушению микролегированных стай. Молибден, ванадий, бор, алюминий и кальций в комплексе :особствуют образованию в микроизломе ямочного микрорельв-. шеокоэнергоемкого типа, что оказывает влияние на повыше® ударной вязкости исследуемых сталей. Хром способствует явлению локальных дисперсных образований окольного типа,

что приводит к снижению пластичности.

Показано, что с повышением температуры закалю! увеличивается однородность, дисперсность и равномерность расположения структурных составляющих, уменьшается количество карбидов, а это приводит к повышению свойств /ударной вязкости, износостойкость и др./.

Предложен механизм влияния микродобавок алшиния, молибдена, ванадия, бора, кальция, легирования хромом и режимов термообработки на повышение свойств и работоспособности углеродистых и низколегированных сталей для штампового инструмента холодного деформирования.

Практическая ценность. На основании проведенных исследований даны практические рекомендации по повышению работоспособности углеродистых и низколегированных инструментальных сталей для штампового инструмента холодного деформирования путем оптимального комплексного микролегирования алюминием, молибденом, ванадием, бором, кальцием и повышения температуры закалки, что является важным для расширения области применения этих сталей.

На основании сталей У8 и 9ХС разработаны и предложены новые стали, микролегированные алшинием, молибденом, ванадием, бором, кальцием, с повышенной ударной вязкостью, пределом прочности при изгибе, прокаливаемостью и износостойкостью.

В работе защищаются:

1. Закономерности влияния микродобавок алшиния, молибдена, ванадия, бора, кальция и хрома на структуру, свойства, износостойкость и характер разрушения исследуемых сталей в термообработанном состоянии, в частности:

- влияние микродобавок на перераспределение элементов между твердым раствором и карбидной фазой, химический и фазовый состав исследуемых стаЛей;

- взаимосвязь между строением излома и сопротивлением . хрупкому разрушению №1 кролегированных сталей;

- вывод о том, что введеииа в углеродистые миг.ролегиро-ванные стали хрома отрицательно влияет на ударную вязкость

и предел прочности при изгибе.

2. Влияние микролегирования на прокаливаемоеть, изно-

состсЯкость, изменение длшш обраэцоз и гешгостсйкость иссло-дуекых статей.

3. Механизм влияния комплексного микролэгирования алюминием , молибденом, ванадием, бором, кальцием и экономного легирования хромом на повышенно свойств и работоспособность исследуемых оталей псзлэ термообработки.

4. Рекомендации по оптимальному комплексному микроле-г'тювшшю и термической обработке для повышения свойств и работоспособности исследуемых углеродистых и низколегированных инструментальных сталей для штампового инструмента холодного деформирования.

Апробация работы. Осиоаиг» результаты работы доложены и обсуждены на ХХХХШ /октябрь 1986 г./, ХХХПУ /октябрь 1987 г./ научно-технических конференциях Львовского ордена Ленина политехнического института им. Ленинского комсомола; на Ш /ноябрь 1986 г./ Всесоюзной научно-технической конференции Запорожского ордена "Знак Почета" машиностроительного института им. В.Я.Чубаря.

Публикации. Результаты исследований изложены в трех статьях и одном положительном решении о выдаче авторского свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы /145 наименований/, приложения^ Изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 122 рисунка и 21 таблицу.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Материалы и методика исследований

В работе исследованы микролегированные алшинием, молибденом, ванадием, бором, кальцием и легированные храмом зтали Уи и 9ХС, химический состав которых приведен в табл.1.

Стали выплавлялись в лабораторных условиях в индукционной печи емкостью 50 кг. Влияние микродобавок стабилизировалось введением в жидкую сталь ферросплавов в ампулах. Зтали разливались фракционным методом в слитки массой 12 кг, которые гомогенизировались при 1100 °С в течение 6 часов. Затем их ковали в интервале температур 1100-750 °С на прут-

ки сечением 15x15 мм. Прутки подвергались изотермическому отжигу, и из них изготовляли образцы для последующей термической обработки и механических испытаний.

Термическая обработка сталей производилась по следугацю режимам: на базе стали У8 - закалка от температур! 780 °С через воду в масло и /900-925 °С/ в масло с последующим отпуском 200 °С в течение I часа; на базе 9ХС - закалка от температуры 870 °С и 975 °С в масло с отпуском 400 °С.

Механические свойства определялись при статических испытаниях на сжатие и изгиб с приложением нагрузки по середине образца на установке УМЭ-10ЯМ и динамических - на ударный изгиб образцов без надреза на маятниковом копре МК-30. Структура и распределение карбидов изучались на оптическом МИМ-8 и электронном УШВ-IOCK микроскопах; строение изломов - на растровом электронном микроскопе, РЭ'Л-200. Карбиднш фаза исследовалась с помощью рентгеноструктурного фазового и химического анализа карбидных осадков. Роль микролегирования в перераспределении элементов после термической обработки определялась микрорентгеноспектральным анализом. Струг турные составляющие изучались на рентгеновском дифрактомет-ре ДРСН-2,0. Прокаливаемость образцов оценивалась методом торцевой закалки.

Лабораторные испытания изнобостойкости проводились на установке МИ-Ш, работающей по схеме "ролик-букса" без смазки.

Шияние экономного легирования на рост зерна аустенита, теплостойкость я прокаливлсыость сталей У8 и 9ХС

Как известно, на свойства сталей значительное влияние оказывает размер зерна. Исследования показали, что ввод'х.ше микродобавки неоднозначно влияют на зелнчшг/ аустепитпого зерна. Микролегирование стали У8 алюминием в количестве 0,04-0,06 5í способствует уменьшению зерна на 2-3 балла. При введении .0,11-0,13 % ванадия происходит дальнейшее y;;eiib;ue-ние зерна в стали на 1-2 балла и повшснмс устойчивости его при нагреве до 950-1060 °С, а в сталях без ящродо&нок да-х при температурах ниже указанных набллдастся у.:с аиачитбльнмГ. рост зерна. При дальнейшем доО'анлснг.к голиодеия и .юра /\ о

Химический состав исследуемых сталей

.Таблица I

..-арка стали

Номер плавки

Содержание элементов, мае. %

Мп { 51 } Сг } Мо

V

В I Са ; Д\

II ■ 0,78 0,23 0,15 0,02 - - - -

12 0,79 0,22 0,16 0,03 - ■ - - - 0,06

13 0,78 0,24 0,18 0,02 0,31 - - - 0,05

У8 14 0,77 0,23 0,15 0,03 0,30 0,11 - - 0,04

15 0,79 0,24 0,19 0,02 0,28 0,13 0,004 - 0,06

16 0,78 0,23 • 0,21 0,03 0,30 0,12 0,003 0,05 0,05

17 0,77 0,22 0,23 0,45 0,29 0,12 - 0,06 0,04

9ХС " 21 0,87 0,42 1,12 1,06 — — . — _ _

25 0,91 0,44 1,16 1,08 0,32 0,18 0,004 - 0,07

26 0,90 0,40 1,18 1,02 0,30 0,20 0,003 0,10 0,05

. I

о »

Примечание. Содержание серы и фосфора в стали 78 - 0,023 и 0,034

9ХС - 0,025 и 0,021 %.

вводимых количествах/ размер аустенитного зерна практически не изменяется. Дополнительное микролегирование стали кальцием /0,05 %/ приводит к уменьшению разнозернистости и размера зерна еще на I балл. При введении 0,45 % хрома в микролегированную сталь размер зерна не уменьшается.

Аналогичное влияние микродобавки оказывают и на величину зерна стали 9ХС, у которой деже при нагреве до температуры 1050 °С рост зерна не наблюдался, а без микродобавок оно начало интенсивно, расти ужа при температуре 860-870 °С.

Таким образом, с помощью микролегирования /особенно комплексного/ в исследуемых сталях можно значительно уменьшить величину аустенитного зерна и повышать его.устойчивость при нагреве.

Микролегирование практически не влияет на твердость исследуемой стали У8 как непосредственно после закалки, так и после отпуска при 200 °С. В этом случае твердость составляет HRCa 62-63. С дальнейшим повышением температуры отпуска /от 200 до 600 °С/ твердость при наличии микродобавок увеличивается. Наибольший прирост достигается npi комплексном микролегировании. У стали У8 с микродобавками при температуре отпуска 300 ^ твердость увеличивается на 1-2 ИЯСз , при 400 °С - на 2-9 НКСэ , при 500 °С - на 3-13 HRC3 и равна 40-50 HRC3, а при 600 °С составляет 32-45 HRC» .

Микролегирование стали 9XG не оказывает существенного Влияния на изменение твердости при отпуске в интервале температур 200-300 °С. С-дальнейшим повышением температуры отпуска твердость повышается при 400 °С на 3-4 HRCj , при 500 °С; - на 5-8 HRCj , а при 600 °С составляет 47-48 HRCj.

Благоприятное воздействие алюминия, молибдена,, ванадия, бора и кальция на твердость при отпуске обусловлено увеличением дисперсности карбидов, насыщением твердого раствора микродобавками и повышением устойчивости мартенсита при отпуске.

При исследовании прокаливаемости установлено, что введение в сталь У8 0,06 % алюминия не вызывает изменения твердости на глубине 21 мм от закаливаемого торца. Присадка 0,11 % ванадия и 0,30 % молибдена раздельно и в комплексе к стали У8, содержащей алюминий, способствует повышению прока-

ливаемости, т.е. увеличению расстояния от охлаждаемого торца до точки с твердостью НЯСэ 35 на 21 мм. При этом диаметр шара, закаливающегося полностью на структуру мартенсита, составляет 23 игл при за;салке с охлаждением в воде 20 °С. Микролегирование стали У8, содержащей молибден, ванадий, алюминий, 0,004 % бора и 0,06 % кальция, приводит к дальнейшему увели-•Г"'!Г!ю расстояния до точки с твердостью НЯСэ 35.на 9 мм. При это;.' диаметр шара, закаливающегося полностью на структуру мартенсита, увеличивается и составляет 26 мм. Замена в бор-зодержащей стали бора 0,45 % хрома приводит к уменьшению прокаливаемости на 3-5 /5.

Микролегирование стада 9ХС молибденом, ванадием, бором » алшинием способствует значительному повышению прокаливае-лости. Так, твердость НЙСэ 64 сохранлется на расстоянии 14 мм от закаливаемого торца, в то время как в стали 9ХС $ез микродобавок - 7 мм. При дополнительном введении 0,10 % сальция такая же твердость сохраняется на расстоянии 55 !"л >т закаливаемого торца.

Установлено, что микролегированао влияет на деформацию )пытних сталей после закалки и последующего отпуска. Все (водимые микродобавки уменьшают деформацию сталей У8 и 9ХС. [ри комплексном шкрологировании достигается минимальная ;еформация. С повышением температуры закалки деформация так-:е уменьшаемся, что связано с образованием более дисперсных арбидов, наличием остаточного аустенита и уменьшением угле-ода в мартенсите.

Влияние экономного легирования на микроструктуру. механические свойства п строение изломов сталей У8 и 9ХС

Изучение структуры исследуемых сталей после отжига по-азало, что введение микродобавок оказывает влияние как на аличину зерна, так и на однородность и дисперсность состав-авдах перлита. В стали УВ без микродобавок наблюдается зна-лтельиая неоднородность расположения цементита в перлите, ри.микролегировании повышается однородность и дисперсность зрлита, причем комплексное экономное легирование алюминием, элибдепсм, гсшаднем, борем и кальцием способствует большей

дисперсности и рашомерностя распределения цементита в феррит ной матрице. При ввзденк." в сталь 0,45 % хрома уволакивается неоднородность расположения структура составляющих, наблюдается большая плотность карбидов в пограничной зоне зерна.

В стали У8 без микродобавок после закалки с температуры 780 °С через воду в масло мартенсит неоднороден и более груб, карбиды располагаются нерашомерно. Введение:в эту сталь 0,06 % алюминия приводит к измельчению мартенситных игл и более равномерному расположению карбидов. Введение 0,31 ^ молибдена способствует повышению дисперсности и однородности карбидных частиц и мартенсита. Микролегирование стали У8 молибденом, ванадием и алюминием приводит к дальнейшему измельчению игл мартенсита и карбидных включений. Введение 0,004 % бора на структуру практически не влияет, но при наличии 0,05 t кальция происходит дальнейшее измельчение мартенситных игл и карбидных включений. С добавлением 0,45 % хрома увеличивает- . ся неоднородность структуры и размер карбидных частиц.

Микролегирование стали У8 0,06 % алюминия приводит к увеличению ударной вязкости в 2,2 раза при сохранении остальных характеристик без изменения после закалки со стандартных температур. Закалка данной стали с температуры 900 °С в масло увеличивает ударную вязкость в 3,1 раза, а предел прочности при изгибе - в 1,3 раза. При одновременном введении в стал] У8 алюминия и 0,31 % молибдена ударная вязкость как после стандартной термообработки, так и после закалки с повышенных температур 925 °С увеличивается в 4,5 и 7,8 раза, предел прочности при изгибе изменяется мало. Комплексное экономное легирование эвтёктоидной стали молибденом, ванадием и алюминием обеспечивает прирост ударной вязкости и предела прочности при изгибе в 5,9 и 1,8 раза после стандартной термообработки, а после загадки с температуры 925 °С и отпуска 200 °С - в 13,3 и 1,9 раза/Наилучший комплекс свойств получен в стали УВ, микрологированной 0,30 $ молибдена, 0,12 % ванадия, 0,003 % бора, 0,05 $ кальция и алюминия, после стандартной термообработки: ударная вязкость - 0,97 предел прочности при изгибе - 4480 ШТа, при скатии - 2610 Mía и прогиб - 9,57 мм. Закалка данной стали с температуры 925 °С и отпуска 200 Яз способствовали .увеличению ударной

зкости до 1,86 Шж/иР при уменьшении предела прочности при габе до 4330 МПа и прогиба - до 4,44 мм. Введение в эту аль 0,45 % хрома не привело к дальнейшему увеличению удар-i вязкости и предела прочности при изгибе, а уменьшило их 0,82 МДзс/м2 и 4170 МПа после стандартной термообработки до 1,47 МДж/м2 и 4060 МПа - после закалки с повышенных тем-ратур.

В структура стали 9ХС после отжига наблюдаются неравно-рнне прерывистые включения цементита по границам бывшего стенитного зерна. Введение в дглшую сталь молибдена, вана-я, бора и алюминия способствует более однородному строе-го перлита и расположению избыточных карбидов. Присадка 10 % кальция приводит к более равномерному распределению округлению цементитных частиц.

Структура стали 9ХС без микродобавок посла закалки с шературы 870 °С и отпуска 300 °С неоднородна. Наблкщают-. скопления карбидов по границам зерен, мартенсит неравно-ный. Кшплексное микролегированпе стали 9ХС 0,32 % молиб— на, 0,18 % ванадия, 0,004 % бора и 0,07 % алюминия измель-l6t структуру мартенсита, наблюдается уменьшение карбидных ушчений и более равномерное их распределение по телу и шицам зерен. Дополнительное введение кальция еще более 1мельчает структуру, практически получается бесструктурный 1ртенсит с наличием дисперсных и равномерно расположенных фбидных частиц. 3aicanica сталей с.повышенных температур !5-975 °С приводит к еще большему измельчению структурных )ставляицих - карбидов, мартенситных игл, остаточного аус-шита.

В стали 9ХС посла закалки с температуры 870 °С в масло отпуска 300 °С карбидные частицы / Fe, O/j С равномерно '„определяются в твердш растворе /мартенсите/ и тлеют раз-зр 0,2-0,4 мкм. Закалка с температуры 925 °С и отпуск. 300 9] тособствует уменьшению карбидных частиц до 0,1-0,2 mi<m и эхранению в структуре мартенситной матрицы. Микролегирова-;iе стали 9ХС молибденом, ванадием, бором, алюминием поело акалки с температуры 870 °С и отпуска 400 °С вызывает появ-ение в структуре матрщы, наряду с карбидами ( Fe, Cr, Мо)>С азмером 0,2-0,4 мил и CrjCa - 0,1 мил, карбидов (V, Мо,Сг)С-

0,02 мкм. Закалка стали с температуры 975 °С в масло и отпуска 400 °С приводит к растворению карбидов О^Са и уменьшению размера карбидных частиц цементитного типа до 0,1 мкм и карбида ванадая \/С - до 0,02 мш. Карбида цемен-титного типа концентрируются в основном группами в структуре матрицы. Дополнительное введение кальция /0,10 %/ в эту стал обеспечивает более равномерное распределение карбидов цеыен-титного типа в структуре стали размерсм 0,05 мкм и карбидов ванадп. При закалке с повышенных температур увеличивается дисперсность мартенсита и уменьшается количество карбидов (Рв,СгЬС , которые располагаются в виде отдельных включений,

Микролегирование стали 9ХС молибденом, ванадием, бором и алюминием обеспечивает увеличение ударной вязкости в 1,5 раза при незначительном уменьшении предела прочности при изгибе после стандартней! термообработки. После закалки с температуры 975 °С и отпуска 400 °С ударная вязкость возрастает на 9 %, а предел прочности при изгибе незначительно пошша-ется. Введение 0,10 % кальция способствует дальнейшему росту ударной вязкости как после стандартной термообработки, так а закалки с повышенных температур и отпуска 400 °С, при этом предел прочности при изгибе практически не изменяется.

С помощью рентгеноспектрального фазового анализа выделенных карбидных осадков установлено, что карбидная фаза исследуемых сталей состоит в основном из карбидов цементитного типа, в микролегированных сталях имеются и специальные карбиды - УС и Сг,С2 .

Распределение легирующих элементов в исследуемых сталях между карбидной фазой и твердым растворам определялись химическим анализом карбидных осадков и электронно-зондовым микроанализом /табл. 2/.

С повышением содержания ванадия в стали его количество в карбидной фазе увеличивается от 0.02?»/в стали 0,11 % V / до 0,06 % /в стали 0,20 % V /. Это обусловлено образованием большого количества карбидов \/С . Хром находится в основном в твердом растворе. При увеличении его содержания в стали до 0,-15 % выделяется, наряду с легированным цементитом, 25 % карбида 03Сг , а также повышается содержание хрома в кар-

рой фазе от 0,003 % в стали 0,08 5« О до-0,18 54 - в ли 0,45 % О и до 0,43' % - в стали 1,00 % Сг. Ванадий ожительно влияет и на содержание молибдена в карбидной е. Так, о повышением содержания ванадия в стали количест-молибдена в карбидной фазе увеличивается от 0,00 % при утствии ванадия до 0,13 % при содержании его 0,20 При алке с повышенных температур происходит переход хрома, ибдена из цементита и карбида УС в твердый раствор, а ке растворение карбида Съ Сг .

После стандартной термообработки разрушение образцов из ш У8 происходит преимущественно путем меязеренного скола, 1У фасетками которого эпизодически наблвдаются локальные изования квазискольного характера. Введение дополнительно > ¥> алюминия способствует развитию трещины преимущественней коалесцекции микропустот. При этом микромеханизм ного отрыва имеет как внутри-, так и межзеренный харак-Микролегирование стали У8, содержащей алюминий, 0,31 % :бдена и 0,11 % ванадия привело к доминированию исключи-но внутризеренного механизма ямочного отрыва. Введение в сталь 0,004 54 бора шзывает высокоэнергоемкое развитое ное микростроение излома. Отличительной особенностью сравнению с предыдущими сталями/ является наличие наряду нами локальных участков расслоения по плоскостям сколь-я и вторичных расслаивают:;!« трещин. Дополнительное мик-гирование борсодержащей стали 0,Об % кальция способст-доминированио в изломах ударных образцов ямочного мик-ггьефа высокоэнергоемкого типа, что обеспечивает макси-шй прирост ударной вязкости в 10,7 раза по сравнению галью У8 без микродобавок, Замена. в борсодержащей стали

0.45 # хрома приводит к тому, что наряду с развитым, зчительно доминирующим ямочным мшсростроением эпизодичес-1блпдагатся локальные, дисперсные образования окольного

, Это вызывает падение ударной вязкости на 16 ?• по сраз-) со сталью У8, содержащей микродобавки. В стали 9ХС, экономнолегированной молибденом, ванадием,

1, кальцием и алюминием, развитие трещины происходит по 'механизму высокоонергоемкого квазискола, то есть для ов характерно ямочное микростроение незавершенного ха-

со к

I

8*8

"|8

И «Ir.

яхэё

Si

О

ф Sœ m о

-яг

«mi

¿'S g§£

пои

со

н

о

m

■X

QO <0 ä< я i

HJO

8 « amt

«хм

n

о

Q Ф

3 »

t I t» C- «O C- «D I (O U> n h m m m mm

О О О О О о о

I ,88НЙЙ i м м

• » • • • «I *

о о о о о о о

I I ñnSnS I

« *

о о о о о о о

I I , 8 S S S i н н • "««»« « «

о О О О О О

. • 8888 , 88 III

О О О О О О

И со n см со о

МММ .мм

I I I • ' « • • I « •

' ' о о о о о о

8888888888 ««»•«•«••ft

оооооооооо

88S888SSS¡9

оооооооооо

888888^888 оооооооммм

НМП^ЙЩ^нЮЮ mmmmmwmNnn

отера /слияние шлсропустот происходит при незначительных 1кальных микродеформациях/.

После закалки с повышенных температур и отпуска в мик->строёнии изломов стали У8 наблюдаются в основном фасетки жзеренного скола с незначительным количеством ямочных 1крообразований. Введение в сталь У8 алюминия, молибдена, тадия, бора, кальция и хрома приводит к полному подавлено микромеханизмов мезкзеренного разрушения, Распростране-ie трещины во всех случаях происходит исключительно по вяз->му, ямочному микромеханизму. Некоторое исключение составит зкономнолегированная сталь У8, содержащая хром, в мик-)структуре излома которой наблюдаются наряду с ямочными фактами участки расслоений по плоскостям скольжения, а также горичные расслаивающие микротрещины, которые и приводят к нскению ударной вязкости на 20

В микростроении изломов стали 9XG четко фиксируется íar разрушения, в фокусе которого наблюдаются укрупненные 1сетки межзеренного скола. Это свидетельствует о том, что эещина зарождается вследствие зернограничного растрескива-т. Дальнейший рост трещины происходит путем смешанных мик-эмеханизмов. - межзеренного скола и низкоэнергоемкого ямоч-эго отрыва. Введение в сталь 9ХС молибдена, ванадия, бора, ндаипия, a тагс-е кальция не привело к изменению механизма арождения трещиш. Сравнительно со сталью 9ХС в данном лучае несколько уменьшилась доля 'фасеток межзеренного ско-а в мшфостроении изломов и возросло количество ямочных икрообразований незавершенного квазискольного характера, в езультате чего увеличилась ударная вязкость микролегирован-ых сталей в 1,2-1,3 раза.

Влияние экономного легирования.и термической

обработки на износостойкость сталей У8 и 9ХС

Введение в сталь У8 0,05 % алюминия способствует умень-ешет весового износа на 0,47 г в течение 8 часов при стандартной термообработке и на 0,35 г после закалки от темпера-ypu 9СА' °С в иасло и отпуска 200 °С. Следовательно, закал-:а с погепеншк температур обеспечивает понижение весового 'э:ют va 21 <í по сравнению со сталью, подвергнутой стан-

дартной термической обработке. С другой стороны, яегируюдае добавки, такие как молибден и кальций, не оказывают существенного влияния на весовой износ стали У8, микролегированной алюминием, термообработанной по стандартному режиму /табл. 3/.

Таблица 3

Износостойкость сталей /сухое трение/.

Пара "сталь-сталь"

'¡Относительный

! Износ ос тойкос ть,

Состав сталей !стан- ¡закалка ¡дартная ¡повышен-!закалка !ных тем! ¡петтто с!стан- ■ {дартная ■ ¡закалка 1 ¡закалка с !повышенных тем-!петатто

У&+0,06$Д1 0,53 0,54 1,88 1,85

У8+0,315&Мо+0,05&/}| 0,53 0,55 1,88 1,82

У8+0,3(ЙМо+0,Ш\Л +о,оЫ| 0,44 0,49 2,27 2,04

У8+0,28$Мо+0.13$у +0,004% в +0,06%т 0,39 0,39 2,56 2,56

У&*0. ЗОЯ Мо +0.122 V +0,003$ В +0,05%са +0,05/5/11 0,39 0,39 2,56 2,56

У8+0,45$Сг +0,29$ Мо +о, 12% V +0,06%6а +0,0455/71 0,29 0,28 3,45 3,57

9ХС+0,32^Мо +0,18£\/ +0,004$В +0,0752 0,50 0,37 2,00 2,70

9ХС+0,30£ Мо +0.2$ V +0,00355 В +0,10% са

+0,05% 0,46 0,30 2,17 3,33

После закалки с повышенных температур весовой износ пос ле введения в сталь молибдена увеличивается на 0,01 г, кальция - уменьшается на 0,02 г. Введение ванадия и бора в стали способствует также понижению потери массы образцов как после стандартной термообработки, так и закалки от температуры 925 °С и отпуска 200 °С. Хром в количестве 0,45 % вызывает уменьшение износа на 0,09 г посла стандартной термообработки и закалки с повышенных температур. Потеря массы в результате закалки с повышенных температур уменьшается на 27 % по сравнению со стандартным режимом термообработки.

Анализ кинетических зависимостей износа исследуемых пах

рения "сталь-сталь" в условиях сухого трения- показал, что аибольшей износостойкостью обладают стали У8 и 9ХС, экономно-егированные хромом, молибденом, ванадием, кальцием и алюми-ием. По степени влияния на износостойкость взятые для леги-ования элементы можно расположить в порядке возрастания в яд: ванадий, хром, алюминий.

Таким образом, благоприятное воздействие комплексного гафолегирования на свойстез, износостойкость и склонность хрупкому разрушению сталей У8 и 9ХС обусловлено прежде сего измельчением зерна, повышением стабильности, однород-ости и равномерности расположения структурных составляющих, зменением состава карбидной фазы и увеличением ее дисперс-ости, перераспределением легирующих элементов между тверда раствором и карбидной фазой и увеличением прокаливаемос-и.

На основании результатов исследований определен меха-изм влияния микродобавок алюминия, молибдена, ванадия, боа, кальция, легирования хромом и режимов термической обра-отки на повышение свойств и работоспособности сталей У8 и (ХС для шташового инструмента холодного деформирования.

В исследуемых сталях при закалке образуется пересыщений твердый раствор углерода в сС -железе с растворенными в :ем легирующими и примесными элементами. Алюминий и ванадий грактичёски не переходят в твердый раствор, так как темпера-ура закалки недостаточна для растворения нитридов алюминия г карбидов ванадия. Эти соединения способствуют уменьшению ¡ерна аустенита и диспергированию структуры мартенсита. Вана-;ий тагс:се способствует увеличению дисперсности карбидов, рав-юмерному расположению их и повышению,устойчивости стали при спуске. А ото, в свою очередь, приводит к повышению механи-[еских свойств. Но в то же время алюминий и ванадий, находясь I связанном состоянии, уменьшают прокаливаемость стали. Введение молибдена и хрома в стали, содержащие алюминий и вана-1ий, способствует повышению прокалнваемости. Причем увеличе-[ие прокалипаемости происходит не только за счет молибдена, сходящегося в твердом растворе, но и за счет связанного в :ароидной фазе. При наличии хрома в стали часть молибдена ¡ероходит - ггрбнднуто фазу, вптесняя из нее хром, который

переходит в твердый раствор, дополнительно легируя его, то есть повышая устойчивость аустенига, а следовательно, прока-ливаемость. При этом уменьшается химическая микронеоднород-. ность твердого раствора за счет уменьшения хрома вблизи карбидных частиц. Молибден также обеспечивает более однородное выделение карбидов цементитного типа, повышение их дисперсности, устойчивости щи отпуске, что и увеличивает износостойкость сталей.

Дополнительное введение бора в исследуемые стали способствует дальнейшему повышению прокаливаемости за счет того, что он, являясь поверхностно-активным элементом, находясь в основном в твердом раствора, повышает склонность ау-стенита к переохлаждению, к понижению критической скорости закали!. Кроме того, молибден, ванадий и алюминий увеличивают растворимость бора в твердом растворе, который повышает сопротивление к микропластическим деформациям.

Кальций,' находясь в стали в виде неметаллических включений., практически не влияет на прокаливаемость, но, обладая значительной горофильностью, уменьшает овободаую энергию границ зерен, в результате чего происходит сфероидазация приграничных карбидов и других частиц в стали, что способствует повышению механических свойств /особенно ударной вязкости/.

Вводимые микродобавки алюминия, ванадия, молибдена н кальция увеличивают дисперсность мартенсита и карбидных частиц, однородность и равномерность расположения структурных составляющих и неметаллических включений, что обусловливает повышение свойств исследуемых сталей. Хром же способствует неравномерному расположению структурных соотавляицих, и в основном это относится к кабидам, находящимся в приграничной зоне зерен, что и приводит к понижению ударней вяз-кооти и предела прочности при изгибе.

Микролегирование оказывает влияние как на количество карбидов и их расположение, так И на перераспределение эле-, ментов между твердым раствором и карбидной фазой. Так, с введением микродобавок увеличивается количество карбидов и их дисперсность, изменяется соотав карбидной фазы, образуются легированный цементит и карбид ванадия, а при наличии хрома появляется специальный карбид СглС« . В результате

того повышается устойчивость и стабильность структурного остояния, что и способствует повышении износостойкости ста-эй и уменьшению деформации при закалке.

Микролегирование влияет на строение изломов образцов гследуемых сталей. Разрушение в сталях без микродобавок в знойном происходило путем межзеренного скола, что и обус-звливает низкое значение ударной вязкости. Микродобавки алго-шия, молибдена, ванадия способствуют внутризеренному разженил. Бор и кальций приводят к дальнейшему увеличению ямо-гаго микрорельефа высокоэнергоемкого типа, что сопровожда-гся значительным повышением ударной вязкости. При введении юыа ударная вязкость падает. Это связано с появлением в из->ме, наряду с ямочными фасетками,. локальных частиц скольно-

> характера, которые образуются в основном в пограничной эо-

> зерна. Здесь располагаются неравномерно карбидные включе-[я - концентраторы напряжений, которые способствуют образо-!Нгоо и распространению трещин, а следовательно - снижению «анических свойств.

При повышении температуры закалки до температур, не вы-сваюгрэс значительного роста аустенитного зерна, повышаются ойства, износостойкость.и работоспособность микролегирован-х сталей. Это связано с дополнительным легированием аусте-та за счет растворения тугоплавких карбидов, уменьшения их змеров и количества, повышения е?о однородности, а следо-тельно, получения более легированного однородного мелко-ольчатого мартенсита, обладающего большой износостойкостью.

Таким образом, повышение свойств и работоспособности следуемых сталей при микролегировании достигается за счет иельчения зерна, увеличения дисперсности карбидов и мар-нситных игл, изменения состава карбидной фазы, равномерно-расположения структурных составляющих и повышения прокали-змости, что уменьшает склонность к межзеренному разрушению злей и способствует образованию в изломе ямочного микроль ефа тагсокоэнергоемкого типа.

Предложенный механизм влияния микродобавок на повышение зйств и работоспособности исследуемых сталей хорошо согла-этся с экспериментальными данными и объясняет основные за-гомерности, установленные в работе.

Согласно приведенному механизму наиболее перспективным

способом увеличения прочности и долговечности сталей У8 и 9ХС является комплексное микролегирование алюминием, молибденом, ванадием, бором и кальцием с повышением температуры аустенитияации при закалке.

ШВОДЫ

1. Шервые исследовано влияние микродобавок алюминия, ванадк-, молибдена, бора, кальция, легирования хромом и термической обработки на количество, форму и распределение карбидов, величину зерна, структурное состояние, механические свойства, прокаливаемость и износостойкость сталей У8 и 9ХС.

2. Микролегирование сталей У8 и 9ХС алюминием, молибденом, ванадием и кальцием способствует равномерному распределению структурных составляющих после термической обработки, измельчению мартенсита, увеличению дисперсности карбццных включений и стабильности структурного состояния. Хром оказывает противоположное влияние, увеличивая неоднородность расположения карбидов, и повышает их плотность на границах зерен, что приводит к ослаблению прочности межзеренной связи

и повышению хрупкости сталей.

3. Наиболее эффективным оказалось комплексное микролегирование / А\, Мо , V, В , 5;Са/ сталей У8 и 9ХС. Однако в большей степени микродобавки влияют на свойства стали У8: предел прочности при изгибе увеличивается в два раза, стре-г ла прошба - в 6,5 раза и ударная вязкость - в 10,7 раза.

4. При добавлении в микролвгированные углеродистые стали 0,45 % хрома происходит снижение предела прочности при изгибе /на 6-7 %/, ударной вязкости /на 16-20 96/ вследствие увеличения неоднородности расположения структурных составляющих и повышения плотности зернограничных карбидов.

5. Все микродобавки уменьшают деформацию сталей У8 и 9ХС после термообработки. Минимальная деформация достигается при комплексном микролегировании /У?1,Мо,\/, 8,5/Са/,

а также с повышением температуры закалки.

6. Микродобавки влияют на прокаливаемость сталей У8 и ЭХС. Наиболее значительное повышение прокаливаемости достигается при микролегировании стали 9ХС комплексом элементов /0,30 %Р!о+ 0,20 XV +0,003 %В +0,10'55 Са+0,05 %/И /: твердость ИЯСз 64 сохраняется на глубине 55 юл от закаливаемого торца.

7. Впервые определено,-что вводимые микродобавки оказывают влияние на строение изломов и микромеханизм разрушения образцов исследуемых сталей в термообработанном состоянии. Разрушение образцов стали У8 происходит преимущественно. путем межзеренного скола, а это обуславливает низкую ударную вязкость. При введении молибдена, ванадия, бора, алюминия и силикокальция в изломах наблюдается ямочный микрорельеф высокоэнергоемкого типа с наличием расслоений по плоскостям скольжения и вторичных расслаивающих трещин, что сопровождается значительным повышением ударной вязкости. При легировании хромом микролегированной стали У8 в изломах наблюдаются локальные дисперсные образования окольного типа, обусловливайте снижение пластичности.

8. Комплексное экономное легирование стали У8 /Мо^^Сз., Л!, Сг / после стандартной термообработки и закалки с повышенных температур приводит к повышению ее износостойкости

в 3,5-3,6 раза по сравнению со сталью У8 без микродобавок.

9. Установлен механизм влияния мшфодобавок !А1,Мо, £«2 /, вводимого хрома и режимов термической обработки на структуру, свойства, износостойкость и работоспособность сталей У8 и 9ХС, применяемых для штампового инструмента холодного деформирования. Отмеченочто комплексное микролегирование и закалка с повышенных температур обеспечивают наилучшее сочетание свойств и работоспособности исследуемых сталей.

10. Производственные испытания штампового инструмента, изготовленного из сталей У8 и 9ХС, комплекснолегированных алюминием, молибденом, ванадием, бором и кальцием, показали, что стойкость его в 2-2,2 раза выше, чем инструмента

из сталей без микродобавок.

Основные результаты работы содержатся в следующих публикациях:

1. Фетисова М.М., Пачковский Э.Ф. Влияние экономного легирования на свойства стали У8 //Технология и организация производства. - 1988. - Р1. - С.37-38.

2. Пачковский Э.Ф. Влияние микролегирования на свойства стали 9ХС //Вестник Львов.политехи.ин-та "Оптимизация производственных процессов и технический контроль в машиностроении и приборостроении'.' - 1988. - 1Ж28. -

С.42-44.

3. Пачковский Э.Ф. Устройство для закалки игл-пуансонов // Обмен производственно-техническим опытом. - 1987. -№11. - С.37-38.

4. Пачковский Э.Ф. Инструментальная 'сталь. Авт. свид. №1421798. - "Открытия, изобретения, промышл. образцы,

. тов. знаки'.' - 1988. - №33. - С.107.

Подписано к печати ^06-90 БГ 416Н Формат 60x84 1/16. 1.уингп гиногрпфокая № I. Офсетная печать. Печ. л.

3 а к ^ ¿3 Тираж г'С'О

1И1,,11,.П!;, ;;;гп; , . '.¡О', i-.J1i.boh, ул.'/ОО-пины Лы-она, '/,•'■ ыкчч'( .то '.линг;!.